Почему индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК) приобретают все большее значение в исследованиях стволовых клеток?

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSCs) всё чаще становятся предметом исследований биологов в связи с их терапевтическим и медицинским потенциалом. Их можно получить из терминально дифференцированных соматических клеток конкретного пациента, что даёт значительное преимущество в виде неограниченного самообновления в сочетании с возможностью дифференцировки в любой другой тип клеток данного организма. Хотя iPSCs можно получить из любого источника, в действительности большинство из них получают из человеческих фибробластов. Эти клетки играют важнейшую роль в регенеративной медицине, поскольку обладают характеристиками эмбриональных стволовых клеток (ESC), но при этом не вызывают этических проблем, связанных с использованием ESC. На сегодняшний день их используют для получения иммуносовместимых органоидов яичников, сердца, поджелудочной железы и нормальных тканей для потенциальной трансплантации пациентам или в качестве платформ для скрининга лекарственных препаратов. Исследователи начинают использовать такие клетки и органоиды для разработки персонализированных лекарственных средств и моделирования заболеваний.

Каковы основные стимулы, побуждающие учёных заниматься исследованиями с использованием iPSC в современной науке?

В настоящее время стремительное развитие технологий, связанных с iPSC, вызвало широкий интерес как в фундаментальных, так и в прикладных исследованиях; однако их применение в клинической практике остается относительно ограниченным, поскольку объёма органоидов, полученных из iPSC, недостаточно для трансплантации пациентам или скрининга лекарственных препаратов. Повышение эффективности получения iPSC и увеличение выхода органоидов, полученных из iPSC, приведёт к сокращению сроков исследований и более точному анализу активности лекарственных препаратов, что станет прорывом, способствующим их внедрению в терапевтические программы.

Как возникают индуцированные плюрипотентные стволовые клетки и какова их функция?

Исследователи могут побудить соматические клетки вернуться в плюрипотентное состояние путем экспрессии факторов, связанных с плюрипотентностью, в результате чего образуются индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSCs). Они в значительной степени повторяют транскриптомный профиль и эпигенетическое состояние эмбриональных стволовых клеток (ЭСК), дифференцируются в различные линии, сохраняя при этом способность к самообновлению в недифференцированном состоянии. Эти темы и технологии лежат в основе перепрограммирования соматических клеток с целью приведения их в более толерантное и пластичное состояние.

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки представляют собой выдающийся прорыв в биологии стволовых клеток, а также в регенеративной медицине и обладают огромным потенциалом для клинического применения. В журналах «Nature», «Science» и других ведущих изданиях в соответствующих областях по-прежнему публикуется значительное количество научных статей, посвящённых iPSC. Количество записей о iPSC в базе данных PubMed — включая оригинальные научные статьи, обзорные статьи и клинические отчёты — стремительно возросло после первой публикации группы Яманаки о создании iPSC в 2006 году.

Каковы основные цели современных исследований стволовых клеток iPSC?

Современные исследования в области iPSC сосредоточены в основном на четырёх задачах: разработка новых подходов к регенеративной терапии, получение стволовых клеток, специфичных для конкретного пациента, для нужд персонализированной медицины, моделирование заболеваний с целью лучшего понимания механизмов их развития и прогрессирования, а также ускорение разработки лекарственных препаратов, в частности для лечения редких заболеваний. Исследования iPSC в этих четырёх областях в настоящее время приводят к инновационным открытиям и практическим применениям. Регенеративные подходы направлены на то, чтобы определить, могут ли какие-либо из многочисленных клеток, полученных из iPSC, функционально восстанавливать или заменять ткани, поврежденные в результате травмы или заболевания, с целью восстановления здоровья. Эта цель достигается в основном с помощью двух взаимодополняющих стратегий. Во-первых, клеточные терапии предполагают трансплантацию необходимых клеток — в идеале это были бы готовые продукты из банков клеток, доступные любому пациенту. Во-вторых, тканевая инженерия представляет собой косвенный подход, при котором iPSC используются для создания биоинженерных тканей, которые затем могут применяться в исследованиях по имплантации in vivo или в тестировании. iPSC могут позволить использовать такие инженерные ткани в качестве объектов для трансплантации с целью стимулирования эмбрионального развития для регенерации целых органов или проведения испытаний лекарственных средств in vivo.

Почему в клиниках и лабораториях растет значение iPS-клеток в исследованиях стволовых клеток?

В клиниках и лабораториях значение важность iPS-клеток в исследованиях стволовых клеток растёт по трём основным причинам. Во-первых, исследования iPS-клеток имеют прямое отношение к регенеративной медицине посредством клеточной заместительной терапии, направленной на формирование или восстановление тканей с целью противодействия дегенерации, вызванной постепенной потерей функций определённых популяций клеток. Разрабатываются новые стратегии лечения заболеваний глаз и ушей, мозга, сердца, поджелудочной железы, а также дегенеративных заболеваний опорно-двигательного аппарата. Во-вторых, iPSC открывают возможности для персонализированной медицины, поскольку вместо универсальных методов лечения из iPSC можно непосредственно получать клетки и ткани, специфичные для конкретного пациента, для тестирования лекарственных препаратов. Такие клетки и ткани позволяют тестировать соединения, подходящие именно данному пациенту, что повышает вероятность успеха клинических испытаний. В-третьих, эта система рассматривается как чрезвычайно ценный инструмент для моделирования заболеваний человека — изучение состояний, возникающих внутри организма человека, влияющих на него или проявляющихся исключительно у людей, имеет весьма ограниченный охват, поскольку результаты исследований на животных часто не переносятся на человека. Моделирование заболеваний с использованием клеток пациентов, связанных с данной патологией, может значительно улучшить понимание механизмов заболевания, а также помочь в открытии новых лекарственных соединений. Поэтому, несмотря на то что цель клеточной заместительной терапии занимает доминирующее положение в исследованиях в области регенеративной медицины, она не исчерпывает всех возможных направлений исследований iPSC; следовательно, эта область может получить признание, даже если такие подходы не станут доминирующими.

Технологию iPSC нельзя назвать абсолютным успехом, даже несмотря на то, что она обещает изменить сферу регенеративной медицины и персонализированного здравоохранения. Её потенциал в терапии огромен, ажиотаж вокруг неё очень высок, а ожидания людей зачастую нереалистичны. Пока что не удалось перенести результаты исследований на животных на людей, чтобы оказать пациентам реальную помощь. Тем не менее технология iPSC стала весьма полезным инструментом для фармацевтической промышленности. Она обеспечивает прочную основу для поиска новых методов лечения заболеваний центральной нервной системы, сердечно-сосудистых заболеваний, диабета и других болезней, связанных с неправильным объединением или сворачиванием белков. Кроме того, с появлением iPSC сформировался новый рынок, ориентированный на создание и продажу клеточных линий, специфичных для конкретных заболеваний, с целью поиска лекарственных препаратов. Этот рынок также предоставляет отличную возможность для проверки безопасности фармацевтических соединений.

Как методы регенеративной медицины на основе iPSC помогают пациентам?

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSCs) с точки зрения регенеративной медицины аналогичны эмбриональным стволовым клеткам. Пациенты, страдающие от травм, заболеваний и дегенеративных процессов, могут получить пользу от создания зрелых клеточных фенотипов для восстановления повреждённых тканей или органов. Необходимо свести к минимуму или полностью исключить иммунное отторжение; аутологичные iPS-клетки решат эту проблему, поскольку они получены от самого реципиента. Изогенные iPS-клетки также соответствуют этому требованию, поскольку в их геноме отсутствуют известные мутации пациента и они позволяют получать аллогенное потомство от доноров без необходимости HLA-совместимости.

Из iPSC можно получить клетки любого зародышевого слоя человеческого организма, и в настоящее время ведется активная работа по созданию банков ресурсов клеток, полученных из iPSC для регенеративной медицины, которые были бы стандартизированы и производились в больших количествах. Одним из основных препятствий на доклиническом этапе является получение эффективного типа зрелых клеток, достаточно безопасных для трансплантации; поэтому были разработаны стратегии для массового получения β-клеток из человеческих iPSC. У пациентов с сахарным диабетом 1 типа трансплантация достаточного количества β-клеток восстанавливает нормальный уровень глюкозы в крови, предотвращая диабетические осложнения; однако в настоящее время этот терапевтический вариант остается весьма проблематичным из-за нехватки доноров, поскольку имеющиеся доноры представляют риск из-за несовместимости HLA. Тем не менее, получение β-клеток, специфичных для конкретного пациента, может стать индивидуальным решением для лечения этого заболевания.

Какую роль играет персонализированная медицина с использованием iPS-клеток в планах лечения?

В исследованиях, как правило, рассматривается будущий потенциал iPS-клеток и их свойства. У пациентов с генетически обусловленными или наследственными заболеваниями наблюдается генетическая мутация, ответственная за изменение структуры ткани. Возможно наличие бессимптомной фазы, но в конечном итоге мутировавший ген проявит себя у пациента. Клеточные механизмы заболевания никогда не могут быть изучены на собственной ткани или органе пациента. Однако iPS-клетки можно получить из легкодоступной ткани (обычно крови) и перепрограммировать до состояния плюрипотентности. Затем эти iPS-клетки можно дифференцировать в конкретный тип клеток, поврежденный у данного пациента. Впоследствии патофизиологию конкретного заболевания можно проанализировать in vitro. Исследования такого рода проводились в отношении ряда заболеваний, таких как мышечная дистрофия Дюшенна, болезнь Альцгеймера, болезнь Хантингтона, амиотрофический склероз и другие. Моделирование болезни Альцгеймера с использованием iPSC позволяет картировать и изучать клеточные и молекулярные пути, включая агрегацию белка Аβ, патологию белка Тау, функцию митохондрий, а также реактивный глиоз, который включает гиперактивность астроцитов и чрезмерную активацию микроглии.

Наконец, анализ клеточной патофизиологии позволяет глубоко понять суть заболевания и может служить основой для высокопроизводительного скрининга лекарственных препаратов для отдельных пациентов. Кроме того, необходимый тип клеток, полученных от самого пациента, легко доступен; таким образом, моделирование заболевания с использованием iPSC представляет собой мощный инструмент в персонализированном скрининге лекарственных препаратов. Аутологичные iPSC могут быть получены из соматических клеток пациента, а затем дифференцированы в конкретную клеточную линию и трансплантированы обратно тому же пациенту без какого-либо риска иммунного отторжения; эта стратегия была успешно подтверждена на животных моделях. В целом технология iPSC открывает интересный путь к прямому получению пациент-специфических плюрипотентных стволовых клеток, применяемых в регенеративной медицине с учетом индивидуальных особенностей пациента.

Какое применение находит моделирование заболеваний с использованием iPS-клеток в современной медицине?

Изучение механизмов заболеваний имеет важное значение для разработки эффективных методов лечения. Одна из применяемых стратегий заключается в моделировании процессов развития наследственных и спорадических заболеваний с использованием индуцированных плюрипотентных стволовых клеток как на клеточном, так и на организменном уровнях. Ряд исследователей создали линии iPSC как из здоровых контрольных субъектов, так и из пациентов с амиотрофическим латеральным склерозом, болезнью Альцгеймера, лобно-височной деменцией, гипертрофией сердца, болезнью Паркинсона и серповидноклеточной анемией. Важные спорадические формы этих заболеваний были смоделированы с помощью клеточных линий с нокаутными мутациями в генах, связанных с реакцией на несвернутые белки.

В рамках дополнительных исследований использовались iPSC, несущие множество генетических изменений, связанных с заболеваниями. На сегодняшний день эти линии iPSC применяются для определения фенотипов, специфичных для конкретных вариантов, изучения влияния взаимодействий между нейронами и глиальными клетками на прогрессирование заболеваний, а также для оценки вклада эпигенетического перепрограммирования в клеточное старение и клеточно-зависимые реакции. Другие области применения включают моделирование целого организма на примере данио-рерио. Модели заболеваний обогащаются данными транскриптомики и протеомики реальных пациентов, а специализированные библиотеки CRISPR-Cas9 представляют собой многообещающие инструменты для изучения патогенных механизмов, в частности тех, которые касаются генов, вовлечённых в пенетрантность факторов риска, а также генов, модифицирующих фенотипическую экспрессивность.

Как разработка лекарственных препаратов на основе iPS-клеток способствует ускорению создания новых методов лечения?

Превратить растущие знания о заболеваниях, полученные благодаря использованию моделей, созданных на основе iPSC, в реальные методы лечения этих самых заболеваний — задача не из простых; однако с помощью моделей, созданных на основе iPSC, можно открывать и оптимизировать новые лекарственные соединения, воздействующие на конкретный патологический процесс. В настоящее время преподаватели применяют свои знания в области человеческих нейронов, полученных из iPSC, для открытия новых лекарственных препаратов для лечения резистентной к лечению эпилепсии путем разработки платформы высокопроизводительной визуализации для скрининга лекарственных препаратов на нейронах коры головного мозга человека, несущих мутацию ионного канала, связанную с эпилепсией. Это открывает новый фронт в использовании iPSC для открытия лекарственных препаратов.

Еще один текущий проект направлен на ускорение разработки лекарственных препаратов для лечения распространенного порока развития нервной трубки — спинальной бифиды. В настоящее время общепринятым методом лечения спинальной бифиды является хирургическое вмешательство в утробе матери, однако оно сопряжено с риском как для матери, так и для ребенка. Исследовательская группа разработала новый химический коктейль, способный стимулировать закрытие нервной трубки у эмбрионов мышей, и в настоящее время изучает, может ли он стать основой для более безопасного метода медикаментозного лечения во время беременности для матерей, вынашивающих детей со спинальной бифидой.

Какие проблемы возникают при внедрении результатов исследований в области iPSC в клиническую практику?

Работа по созданию методов лечения и терапевтических средств с использованием iPS-клеток вызывает большой интерес как в клинической практике, так и в научно-исследовательских лабораториях. С помощью iPS-клеток, дифференцированных в соматические клетки человека, можно изучать, моделировать и лечить множество заболеваний и патологических состояний человека. К числу таких областей интереса относятся регенеративная медицина, моделирование заболеваний, разработка лекарственных препаратов, токсикология, генетические заболевания и онкология. Однако прежде чем эти методы станут повсеместно доступны для пациентов, исследователям предстоит преодолеть множество сложностей.

Регенеративная медицина с использованием iPSC открывает широкие перспективы, но на пути к клиническому применению сталкивается с не менее серьезными проблемами. Некоторые осложнения схожи с теми, которые возникают при использовании эмбриональных стволовых клеток (ESC), особенно это касается реакции «трансплантат против хозяина» и образования тератом. Риски, связанные с терапией с использованием iPSC, полученных от конкретного пациента, могут показаться незначительными — например, при имплантации клеток, полученных из iPSC, реципиентам-мышам с иммунодефицитом, — но они становятся гораздо более серьезными, если учесть потенциальное применение для восстановления нервной ткани в организме с полноценной иммунной системой в рамках многоэтапной процедуры, включающей размножение, экспансию и созревание клеток. Другие осложнения возникают из-за того, что эта область находится в стадии развития. Клиническое применение iPSC требует учета огромного количества переменных и неизвестных факторов: метода перепрограммирования, типа соматической клетки, используемой для запуска культуры, условий и времени культивирования in vitro, протокола дифференцировки наряду с используемыми факторами роста, места имплантации клеток в организм пациента и даже того, какой именно человек будет их получать.

Каким может быть будущее исследований стволовых клеток с использованием iPS-клеток?

Новые исследовательские инструменты и достижения в более широкой области стволовых клеток могут стимулировать развитие науки о стволовых клетках. Каталитические изменения могут происходить в смежных, на тот момент неожиданных подразделениях, таких как выявление биомаркеров неврологических расстройств, и в конечном итоге, после первоначального применения к другим клеткам, вновь повлиять на область iPSC. Адаптивное изучение новых открытий может в конечном итоге даже повлиять на использование кардиомиоцитов, полученных из iPSC, при тестировании безопасности лекарственных средств. Сама эта область постоянно меняется, что затрудняет прогнозирование будущего. Научное сообщество ставит перед собой множество целей, связанных с iPSC и их дифференцированными производными, при этом все большее внимание уделяется определенным приоритетным направлениям.

Стремясь обеспечить пациентам немедленные преимущества, университеты проводят клинические испытания регенерации сердца с использованием iPSC на людях, несмотря на предыдущие неоднозначные результаты на животных моделях. В попытке найти новые пути, позволяющие использовать уникальные свойства iPSC, исследователи стремятся активировать тот эндогенный репаративный ответ, который iPSC вызывают при трансплантации, но который пока не удалось воспроизвести. Несколько групп используют iPSC для разработки терапии с применением низкомолекулярных соединений. Высокопроизводительное фенотипирование указывает на механизмы заболеваний; масштабирование процессов открытия и скрининга лекарственных средств с использованием моделей заболеваний на основе плюрипотентных клеток приводит к появлению огромного количества потенциальных кандидатов. Эта работа демонстрирует больше возможностей применения iPSC, чем кто-либо мог предположить, когда эта технология только появилась. Она основана на уже достигнутых успехах, но будет развиваться в направлениях, о которых пока никто даже не задумывался.